1、三维空间数据模型与 数据结构专业：地图学与地理信息系统姓名：张小强提纲提纲v1基本概念基本概念v2三维空间数据模型三维空间数据模型v3疑问疑问1基本概念基本概念v1.1模型模型v1.2数据模型数据模型v1.3空间数据模型空间数据模型v1.4三维空间数据模型三维空间数据模型v1.5三维空间数据模型与三维空间三维空间数据模型与三维空间数据结构的区别数据结构的区别1.2数据模型数据模型（Data Model）v数据模型是一种模型，是对现实世界数据特征数据模型是一种模型，是对现实世界数据特征的抽象。数据模型是严格定义的一组概念的集的抽象。数据模型是严格定义的一组概念的集合，这些概念精确地描述了系统的静
2、态特性、合，这些概念精确地描述了系统的静态特性、动态特性和完整性约束条件。动态特性和完整性约束条件。v数据模型的组成要素：数据结构、数据操作和数据模型的组成要素：数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成。完整性约束三部分组成。v目前数据库领域中最常用的数据模型有四种，目前数据库领域中最常用的数据模型有四种，它们是：层次模型、网状模型、关系模型、面它们是：层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型。向对象模型。1.3空间数据模型空间数据模型v空间数据模型是一种具有特定性质空间数据模型是一种具有特定性质的数据模型的数据模型,它是描述空间数据组织它是描述空间数据组织的概念集合的概念集合,包括对大量空
3、间实体和包括对大量空间实体和空间关系的归纳。不同的归纳方法空间关系的归纳。不同的归纳方法导致不同的数据模型。导致不同的数据模型。1.4三维空间数据模型三维空间数据模型v三维空间数据模型是研究三维空间三维空间数据模型是研究三维空间的几何对象的数据组织、操作方法的几何对象的数据组织、操作方法以及规则约束条件等内容的集合。以及规则约束条件等内容的集合。1.5三维空间数据模型与三三维空间数据模型与三维空间数据结构的区别维空间数据结构的区别v三维空间数据模型是人们对客观世界的三维空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象，是建立三维空间数据库的理解和抽象，是建立三维空间数据库的理论基础。三维空间数据结构是
4、三维空理论基础。三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现，是客观对象在间数据模型的具体实现，是客观对象在计算机中的底层表达，是对客观对象进计算机中的底层表达，是对客观对象进行可视表现的基础。行可视表现的基础。2.1三维空间数据模型的分类三维空间数据模型的分类v从总体分从总体分 1 1 面模型面模型 2 2 体模型体模型v与二维空间数据模型类比分：与二维空间数据模型类比分：1 1 基于镶嵌的数据模型基于镶嵌的数据模型 2 2 基于矢量的数据模型基于矢量的数据模型 3 3 分析型数据模型分析型数据模型 4 4 混合数据模型混合数据模型三维空间数据模型三维空间数据模型基于镶嵌的基于镶嵌的数据模型
5、数据模型基于矢量的基于矢量的数据模型数据模型分析型数分析型数据模型据模型混合型数混合型数据模型据模型单元分解法单元分解法空间枚举法空间枚举法单纯形剖分模单纯形剖分模型型四面体格网法四面体格网法(TEN)三维格网等平面三维格网等平面八叉树八叉树(Octree)线框表示法线框表示法 实体模型实体模型 三维形式化数据模型三维形式化数据模型 Vector3D(V3D)数据模型数据模型 基于表面剖分的空间数据模型基于表面剖分的空间数据模型 构造几何体法构造几何体法(CSG)面向对象的数据模型面向对象的数据模型 Qctree+TEN Octree+CSG Octree+TIN.非均匀有理非均匀有理B B
6、样条函数表示样条函数表示(NURBS)(NURBS).G八叉树八叉树Polytree.面模型面模型(Surface Graphics)v面模型数据结构侧重于三维空间表面的面模型数据结构侧重于三维空间表面的表示表示,如如:地形表面地形表面,地质层面等地质层面等,通过表通过表面表示形成三维空间目标表示面表示形成三维空间目标表示,其优点其优点是便于显示和数据更新是便于显示和数据更新,不足之处是空不足之处是空间分析难以进行。间分析难以进行。体模型体模型(Volume Graphics)v体模型数据结构侧重于三维空间体的表示体模型数据结构侧重于三维空间体的表示,如如:水体水体,建筑物等建筑物等,通过对体
7、的描述实现三维空通过对体的描述实现三维空间目标表示。其优点是适于空间操作和分析间目标表示。其优点是适于空间操作和分析,但存储空间占用较大但存储空间占用较大,计算速度也较慢。计算速度也较慢。1基于镶嵌的数据模型基于镶嵌的数据模型v基于镶嵌的数据模型是将三维空间划分成一系基于镶嵌的数据模型是将三维空间划分成一系列连通但不重叠的几何体素列连通但不重叠的几何体素,它可以看成是二它可以看成是二维栅格模型的扩展。该模型具有结构简单、便维栅格模型的扩展。该模型具有结构简单、便于空间分析的特点于空间分析的特点,但表达空间位置的几何精但表达空间位置的几何精度低度低,也不适合于表达和分析实体之间的空间也不适合于表
8、达和分析实体之间的空间关系关系,同时同时,数据量较大、处理速度慢。数据量较大、处理速度慢。(1)四面体格网模型四面体格网模型(TEN)v四面体格网（四面体格网（Tetrahedral NetworkTetrahedral NetworkTENTEN）是）是一种特殊形式的栅格模型，该模型以四面体作一种特殊形式的栅格模型，该模型以四面体作为描述空间实体的基本几何元素，将任意一个为描述空间实体的基本几何元素，将任意一个三维空间实体划分为一系列邻接但不重叠的不三维空间实体划分为一系列邻接但不重叠的不规则四面体。四面体格网由点、线、面和体四规则四面体。四面体格网由点、线、面和体四类基本元素组合而成。每个
9、四面体包含类基本元素组合而成。每个四面体包含4 4个三个三角形，每个三角形包括角形，每个三角形包括3 3条边，每条边与两个条边，每条边与两个点相关联。点相关联。v其实质是其实质是2D TIN2D TIN结构在结构在3D3D空间上的扩展。空间上的扩展。用四面体格网表示三维空间物体的例用四面体格网表示三维空间物体的例子及其数据结构子及其数据结构(2)八叉树模型八叉树模型v八叉树数据结构是三维栅格数据的压缩形式，是二八叉树数据结构是三维栅格数据的压缩形式，是二维栅格数据中的四叉树在三维空间的推广，该数据维栅格数据中的四叉树在三维空间的推广，该数据结构是将所要表示的三维空间结构是将所要表示的三维空间V
10、按按X、Y、Z三个方三个方向从中间进行分割，把向从中间进行分割，把V分割成八个立方体，然后分割成八个立方体，然后根据每个立方体中所含的目标来决定是否对各立方根据每个立方体中所含的目标来决定是否对各立方体继续进行八等分的划分，一直划分到每个立方体体继续进行八等分的划分，一直划分到每个立方体被一个目标所充满，或没有目标，或其大小已成为被一个目标所充满，或没有目标，或其大小已成为预先定义的不可再分的体素为止。预先定义的不可再分的体素为止。v八叉树可分为常规八叉树、线性八叉树和三维行程八叉树可分为常规八叉树、线性八叉树和三维行程编码八叉树编码八叉树(3DRD)按照存储结构分按照存储结构分。某个子立方体
11、被八等分某个子立方体被八等分体元形式的三维数据体元形式的三维数据八叉树编码八叉树编码 编码编码 如图所示的空间物体，其八叉树的逻辑结构可按下图表示。如图所示的空间物体，其八叉树的逻辑结构可按下图表示。小圆圈表示该立方体未被某目标填满，或者说它含有多个目标在小圆圈表示该立方体未被某目标填满，或者说它含有多个目标在其中，需要继续划分其中，需要继续划分;有阴影线的小矩形表示该立方体被某个目标填满有阴影线的小矩形表示该立方体被某个目标填满;空白的小矩形表示该立方体中没有目标，这两种情况都不需继续空白的小矩形表示该立方体中没有目标，这两种情况都不需继续划分。划分。2基于矢量的数据模型基于矢量的数据模型v
12、基于矢量的数据模型以物体边界为基于矢量的数据模型以物体边界为基础定义和描述几何形体基础定义和描述几何形体,并能给出并能给出完整和显式界面描述的方法。完整和显式界面描述的方法。三维边界表示法三维边界表示法v通过指定顶点位置、构成边的顶点以及构成面通过指定顶点位置、构成边的顶点以及构成面的边来表示三维物体的方法被称为三维边界表的边来表示三维物体的方法被称为三维边界表示法。示法。v比较常用的三维边界表示法是采用三张表来提比较常用的三维边界表示法是采用三张表来提供点、边、面的信息，这三张表就是：顶点表，供点、边、面的信息，这三张表就是：顶点表，用来表示多面体各顶点的坐标；边表，指出构用来表示多面体各顶
13、点的坐标；边表，指出构成多面体某边的两个顶点；面表，给出围成多成多面体某边的两个顶点；面表，给出围成多面体某个面的各条边。对于后两个表，一般使面体某个面的各条边。对于后两个表，一般使用指针的方法来指出有关的边、点存放的位置。用指针的方法来指出有关的边、点存放的位置。3分析型数据模型分析型数据模型v分析型数据模型又称参数函数表示法，它可分析型数据模型又称参数函数表示法，它可以描述三维空间中的线、面和体目标，其指以描述三维空间中的线、面和体目标，其指导思想就是利用有限的空间数据，来寻求一导思想就是利用有限的空间数据，来寻求一个函数的解析式，用这个解析式来生成新的个函数的解析式，用这个解析式来生成新
14、的空间点，用以逼近原有物体。空间点，用以逼近原有物体。三维空间的曲线三维空间的曲线v 用参数函数来表示三维空间的曲线用参数函数来表示三维空间的曲线,其思想类其思想类似于似于“GISGIS数据处理数据处理”中的中的“曲线拟合曲线拟合”，只，只不过是将二维空间向三维空间进行扩展。不过是将二维空间向三维空间进行扩展。三维空间的曲面三维空间的曲面v用参数函数来表示三维空间的曲面用参数函数来表示三维空间的曲面,其实质就是其实质就是“数数字高程模型字高程模型”中的数字方法，数字高程模型的解析中的数字方法，数字高程模型的解析式是式是V=f（x，y），其中，其中V为在空间为在空间（x，y）点上的点上的高程值或
15、特征值，这个解析式只能表示或获取地表高程值或特征值，这个解析式只能表示或获取地表信息。信息。三维空间体三维空间体 v用三维（立体）数据模型用三维（立体）数据模型V=f（x，y，z）可可以描述地表内部的信息以描述地表内部的信息（如矿体、水体、地如矿体、水体、地质状况等），其中质状况等），其中x，y，z是三维空间连续自是三维空间连续自由变化的点坐标，由变化的点坐标，V是对应于坐标点的属性是对应于坐标点的属性值（特征值）。值（特征值）。4混合型数据模型混合型数据模型v基于混合结构的数据模型是将两种或两种以基于混合结构的数据模型是将两种或两种以上的数据模型加以综合上的数据模型加以综合,形成一种具有一体
16、化形成一种具有一体化结构的数据模型。以适应不同分辨率、不同结构的数据模型。以适应不同分辨率、不同背景条件、不同应用的要求。背景条件、不同应用的要求。三维三维GISv三维空间数据模型和数据结构理论是三维三维空间数据模型和数据结构理论是三维GIS研究研究的首要问题。的首要问题。v二维二维 GIS：即传统意义上的：即传统意义上的GIS，只能处理平面，只能处理平面X、Y轴上的信息，不能处理铅垂方向轴上的信息，不能处理铅垂方向Z轴上的信息。轴上的信息。v2.5维（假三维）维（假三维）GIS：在二维：在二维GIS的基础上，考虑的基础上，考虑了了Z轴上的信息，但并未处理，只将其作为附属的轴上的信息，但并未处
17、理，只将其作为附属的属性变量对待属性变量对待 。如。如DEM，虽然赋予了，虽然赋予了Z轴高程信息，轴高程信息，能够表达出表面起伏的地形，但地形下面的信息却能够表达出表面起伏的地形，但地形下面的信息却不具有不具有 。v三维三维 GIS：表达考虑多个：表达考虑多个Z值的出现值的出现 ，能表示多层，能表示多层属性。属性。v四维四维GIS：三维：三维GIS加上时间维方面的处理即为四维加上时间维方面的处理即为四维GIS。比较比较二维二维GIS2.5维维GIS三维三维GIS3疑问疑问vGoogle Earth(Google)World Wind(NASA)ERDAS IMAGINE/Imaging Virtual GIS(ERDAS)它们的三维空间数据模型和数据结构究竟是如它们的三维空间数据模型和数据结构究竟是如何构建的？何构建的？
